气味受体及其遗传变异在家畜食欲调节中的生理作用

徐运杰

(1.山东和美集团有限公司，山东 惠民 251700；2.唐人神集团股份有限公司，湖南 株洲 412000)

美国科学家Buck和Axel于1991年对哺乳动物气味受体的分子特征和气味识别的分子基础研究做出了重大贡献，并获得了2004年诺贝尔生理学医学奖[1]。从那时起，通过比较基因组学对牛、猪、鸡等畜禽的嗅觉受体基因进行了描述和分类。此外，人们还研究了嗅觉系统与食欲之间的关系，以更好地了解人类的进食行为、食物选择和能量平衡的调节，尤其是治疗与食欲相关的疾病，如肥胖、神经性贪食症和神经性厌食症[2-4]。关于生产动物嗅觉系统与食欲调节之间关系的研究相对较少，如何利用这些在人类和啮齿动物身上已经证明的嗅觉系统和食欲调节之间的关系来改善家畜的采食量和胴体组成等与采食量相关的特征呢？本文综合概述了脊椎动物的气味受体及其遗传变异性在家畜食欲调节中的生理作用，提高对气味受体及其配体对家畜食欲的调控为重点的研究，促进新的气味受体激动剂的开发和特定受体变体的遗传选择，以促进动物的生产。

1 气味受体的结构与功能

脊椎动物鼻腔有两个主要区域对气味有感知作用，分别是嗅觉上皮(olfactory epithelium)和梨鼻器(vomeronasal organ)，后者可能是功能性的，也可能不是功能性的，这取决于物种之间的差异[5]。这些组织中有不同类型的化学感受器，包括气味受体、梨鼻受体和微量胺联合受体，分别探测气味剂、信息素和挥发性胺，并将这些化学信息传递给嗅球(气味和挥发性胺)以及大脑的副嗅球(信息素)[6-8]。尽管每个嗅觉感觉神经元在其树突的纤毛上只表达一种气味受体蛋白类型，但是气味受体在嗅觉上皮内的数百万嗅觉感觉神经元上表达[9]。然而，每个气味受体可以结合和探测多个气味分子，相反，每个气味分子可以结合多个气味受体，并具有不同的结合亲和力，创造一种独特的气味结合和气味受体激活模式，使动物能够区分非常多样和复杂的气味。这些化学信息对于动物的生存至关重要，它们可以帮助动物定位饲料(食物)、调节动物食欲、探测环境中的毒素、提醒它们存在捕食者、识别和选择潜在的配偶。

在结构上，气味受体属于G蛋白偶联受体，经典模式是，在鼻粘液中，气味受体结合气味，并启动神经脉冲，然后将其传送到大脑[10]。具体来说，气味剂与受体结合会激活G蛋白Golf，然后通过激活腺苷酸环化酶，刺激ATP转化为cAMP。cAMP打开环核苷酸门控离子通道，允许Ca2+和Na+进入细胞，打开Ca2+门控的Cl-通道，允许Cl-流出细胞。离子的运动导致嗅觉感觉神经元的去极化，并产生一种动作电位，这种电位沿着轴突传到大脑。通过大量研究发现，气味受体的表达并不局限于鼻腔的嗅觉上皮细胞，许多器官也有“异位”表达，如肝脏[11]、胰腺[12]和肺[13]，这些气味受体可以探测动物的内部环境并影响无数的其他生理过程，包括精子趋化[14]和肌细胞在分化过程中的迁移[15]、通过改变挥发性脂肪酸的循环浓度(这些挥发性脂肪酸结合肾脏中的气味受体并刺激肾素分泌)来调节血压[16]、氧不足时，通过乳酸与颈动脉中的气味受体结合来刺激强力呼吸和改变肠道动力[17]。在肠道嗜铬细胞中表达的气味受体被丁香酚等化合物激活后，释放血清素，从而影响肠道运动和增加饱腹感[18]。不同于鼻腔的嗅觉感觉神经元，这些组织中的每个细胞可以表达一种以上的受体类型。Flegel等[14]大约检测到90种不同的气味受体在人类精子细胞中表达，其在顶体帽、头部和鞭毛区的分布有所不同。总之，嗅觉上皮和其他组织中存在的这些气味受体能够探测到各种化学信号，影响动物采食行为和食欲，可能最终影响内分泌和代谢中心。

2 气味受体在食欲调节功能中的作用

试验表明，大鼠暴露在葡萄柚油或其主要气味柠檬烯(柠檬精油)中10 min，可以抑制支配胃的传出迷走神经的活动，减少胃排空[19]。此外，每周三次、每次15 min接触这些化合物，持续6周，可以减少大鼠的食物摄入量和体重[19]。相反，同样暴露于薰衣草油或其主要气味芳樟醇中，可以刺激胃迷走神经活动，增加大鼠的食物摄入量和体重[20]。这些反应都因局部鼻黏膜麻醉或用硫酸锌处理鼻腔诱导失嗅而没有出现上述生理现象，表明嗅觉刺激对动物采食行为和食欲调控的必要性。此外，研究表明，暴露于这些化合物10 min，不仅影响大鼠嗅神经细胞Rolf B1和原代大鼠嗅鞘细胞中食欲刺激剂神经肽Y(NPY)的mRNA表达，而且吸入柠檬烯和芳樟醇精油也会改变人体血清中NPY的循环浓度[21]。也就是说，芳樟醇会诱导NPY的mRNA表达和血清NPY浓度增加而增强食欲，柠檬烯则相反。

也有证据表明，一些异位气味受体(ectopic odorant receptors)如小鼠的气味受体51科E亚科成员2(OR51E2)可能在食欲调节中也起作用。Fleischer等[22]使用在OR51E2上表达绿色荧光蛋白的转基因小鼠试验证明，该受体在结肠隐窝内的肠内分泌L细胞上表达，并且小鼠结肠内的所有OR51E2阳性细胞同时表达食欲调节肠激素酪酪肽(peptidetyrosinetyrosine，PYY)。这一发现说明，OR51E2和PYY释放之间可能存在功能联系。然而，只有约三分之一的PYY阳性细胞共同表达OR51E2，这表明PYY分泌的调节可能涉及超出OR51E2潜在作用的其他机制。此外，本研究还发现少量OR51E2阳性细胞也共同表达胰高血糖素样肽1(GLP-1)，这在食欲调节方面特别重要，因为PYY和GLP-1介导了所谓的“回肠制动”，这是一种反馈机制，通过将营养素(尤其是富含能量的食物)引入到下消化道，导致PYY和GLP-1从L细胞释放，从而减缓肠道排空，降低肠道运动以及增加饱腹感。Fleischer等[22]进一步证明了丙酸盐是OR51E2的激活剂，为气味受体OR51E2是调节食欲的关键环节提供了证据。由此可知，来自结肠微生物消化产生的丙酸盐可以激活OR51E2，并刺激L细胞释放饱腹感信号因子PYY和GLP-1。

一种非常类似的气味受体蛋白OR51E1在猪的整个胃肠道中表达，在胃和十二指肠连接处表达浓度最高[23]。这种气味受体共存于含有PYY和血清素的肠内分泌细胞上，两者都可以调节肠道运动和食欲。这种气味受体的配体之一是肠道内微生物消化产生的丁酸盐[24]。大量研究表明，气味受体和食欲调节之间的机械联系不仅存在于啮齿动物和人类，也存在于家畜中。

营养感应机制、调节能量平衡和食欲的激素与嗅觉和中枢神经系统之间存在显著的联系[25]。嗅觉系统的活动严重受激素、营养和能量平衡代谢信号(metabolic cues of energy balance)的影响，进而影响动物的采食和食物偏好等气味相关行为，以帮助维持其能量平衡。例如，嗅觉感觉神经元和嗅粘膜周围区域以及下丘脑中表达的气味受体、刺激动物采食的激素食欲素A和B以及和嗅觉受体神经元和下丘脑中表达的气味受体、抑制动物采食的激素瘦素，这些激素信号以及其他营养受体的激活(例如，溶质载体转运蛋白家族成员)，通过改变神经元放电的频率和幅度，以及气味结合蛋白的表达，直接影响嗅觉的敏感性和对气味的探测[3]。正如啮齿类动物所证明的那样，禁食增加了嗅觉敏感性和探索与食物有关的气味所花费的时间，而饱腹感则相反，最终影响动物的采食和采食行为。显然，除了嗅觉神经元和邻近下丘脑上的营养受体外，食欲调节肽及其受体的表达为嗅觉和食欲调节之间的广泛交叉对话提供了机会，在家畜中需要进一步探索。

3 气味受体的遗传结构及其变异

3.1 气味受体的遗传结构

气味受体基因家族是哺乳动物中最大的基因家族。人类的气味受体家族包含约30 Mb，即基因组的1%，其中气味受体基因分布在几乎所有染色体上，但常出现在染色体的簇状结构中[26]。例如，313个完整的气味受体基因仅位于人类11号染色体上，而其他9条染色体只有1～5个完整的气味受体基因，而8号染色体、20号染色体和Y染色体则没有任何气味受体基因。也存在许多假气味受体基因，其中突变导致了一种无功能的气味受体蛋白。基因组研究表明，气味受体基因的数量在不同物种之间是高度可变的，可能与每个物种的生态环境以及它对气味的依赖性有关，也可能与其他感官(如定位饲料的视觉)有关。例如，宽吻海豚生活在水环境中，依靠回声来定位猎物，其嗅觉受体基因少于30个，其中只有一半是功能性的，而牛和啮齿动物的嗅觉受体基因介于1100～1600个之间[27-28]。值得注意的是，非洲象拥有最多数量(大约2000个)的功能性气味受体基因，为它们提供了非常敏锐的嗅觉，可以根据气味区分不同种族的人，与甘巴部落(Kamba tribe)的气味相比，经常猎杀大象的肯尼亚马赛部落(Kenyan Maasai tribe)的气味会引起非洲大象更大的恐惧反应[27，29]。

3.2 气味受体的遗传变异

影响嗅觉功能的人类的气味受体基因存在广泛的遗传变异。例如，大约66%的气味受体基因包含插入/缺失、单核苷酸多态性和拷贝数变异[30]。拷贝数变异是指在基因组内出现重复的DNA大片段(>1 kb)，并且这个区域的重复次数因个体而异[31]。遗传变异可以改变编码的氨基酸，在编码的气味受体中产生无义密码子。因此，气味受体的遗传变异导致个体间嗅觉能力的差异，它们对不同气味的敏感性，可能会有几个数量级的差异，对气味或食物偏好以及采食量方面的影响也一样。例如，OR11H7P和OR6A2等基因的单核苷酸多态性分别与动物对异戊酸的甜味敏感性和对香草芫荽叶(herb cilantro)的偏食性有关[32-33]；OR2J3基因的单核苷酸多态性影响了动物探测顺式-3-己烯-1-醇的青草气味的能力[34]；OR5A1基因的单核苷酸多态性导致受体一个细胞外环的氨基酸变化，影响了动物对β-紫罗兰酮的香味的偏好和食物选择[35]；人类基因OR7D4的单核苷酸多态性影响个体对引起公猪膻味的化合物雄烯酮气味的厌恶程度，也与人类对饥饿的易感性和体重指数有关[36]。

3.3 气味受体变异与生产性状之间关系

牛和猪的气味受体基因也存在相当大的变异。例如，Lee等[28]对牛研究表明，40%的气味受体基因样本表现出拷贝数变异。同样，66%的气味受体基因在猪基因组中重叠拷贝数变异区[37]。因此，气味受体基因座内的这些拷贝数变化为动物间气味受体功能的变化以及对表型的影响(如食欲或采食量)提供了大量研究探索的机会。迄今为止，关于气味受体基因变异与家畜的采食量或采食相关性状之间关系(如收益率、胴体组成和剩余采食量等)的全基因组关联分析研究报道较少。Veerkamp等[38]鉴定了位于单核苷酸多态性附近的500个基因，发现这些基因与头胎荷斯坦奶牛的体重(BW)、干物质摄入(DMI)或体况评分(BCS)特征显著相关。这些基因富含嗅觉、味觉和信息素受体，结果表明，气味受体基因变异在奶牛采食量调节中具有功能作用。同样，Do等[39]通过对猪的全基因组关联分析在单核苷酸多态性附近鉴定出25个气味受体基因，与剩余采食量显著相关。另一项对肉牛的研究发现，OR9Q2是一个位置候选基因，有助于SimAngus肉牛品种的剩余采食量[40]。因此，嗅觉转导可能是一个重要的生物学途径，有助于改变以剩余采食量衡量的饲料转化效率。此外，Olivieri等[41]以耐洛尔牛(Nellore cattle)为样本分析了气味受体相关基因，在与干物质采食相关的牛15号染色体的46Mb区域内鉴定出3个气味受体基因，分别是OR2D3，OR2D2，和OR6A2；在与平均日采食量相关的牛15号染色体的50Mb区域内鉴定出2个气味受体基因，分别是OR52J3 和OR51A7；在与剩余采食量相关的牛4号染色体的105.9Mb区域内鉴定出气味受体基因OR9A4。对耐洛尔牛的第二项研究还发现了一个与胴体大理石纹有关的气味受体簇，位于牛5号染色体31～32Mb区域内[42]。总的来说，这些结果表明多个气味受体是位置候选基因，导致家畜在采食和食欲相关特性方面的差异，并在食欲调节中起到重要作用。

4 研究特定气味受体的方法

气味受体与食欲调节之间具有复杂的功能联系，可通过直接激活相关气味受体或选择特定的气味受体遗传变体来调控生产动物的食欲和采食量。根据先前对啮齿动物和人类气味受体的研究技术，有两种方法可以识别和研究特定的气味受体或气味剂，从而对家畜进行有针对性的研究。(1)先分离和培养目标动物的特定的气味受体表达细胞，如原代结肠L细胞或嗅觉神经元，然后接触各种气味剂，再量化分析暴露于各种气味剂下相关气味受体mRNA或蛋白质的表达量，最后，通过动物试验评估具有预期效果的气味，以确定它们是否对食欲和采食量调控产生预期效果。Chen等[21]通过培养大鼠嗅鞘细胞，然后在不同时间段内接触不同浓度的芳樟醇或柠檬烯，以评估神经肽Y(NPY)mRNA表达的细胞反应，通过NPY mRNA的表达浓度判断这些化合物是否具有食欲调节的潜能。(2)先克隆感兴趣物种的特定气味受体(包括特定受体的不同基因变体)，然后导入异源荧光素酶分析，作为高通量筛选工具，评估受体对各种气味的反应性[43]。具体来说，不同的气味受体克隆排列在96孔(或更大)的分析板上，然后暴露在假定能够改变食欲的气味剂中，根据荧光素酶分析来确定具有最大激活潜力的气味受体和变体，最后，进行体外动物试验验证气味受体变体的表型差异。或者，可以筛选出一种感兴趣的单一气味受体来对抗多种可以改变食欲的气味剂和气味浓度，以确定具有最大刺激能力的气味剂，最后，再用活体动物进一步评价选定的气味受体-气味剂组合，以证实其对干物质摄入或饲料偏好的预期影响。

5 结 语

嗅觉受体和食欲调节之间存在错综复杂的联系，这些受体的变化可能导致个体在饲料摄入量、体重增加和身体成分方面的差异。开发新的化合物来激活各种气味受体，从而在生产动物中操控这些过程，或选择种群内特定气味受体的遗传变体，来支持家畜生产达到预期结果，具有非常大的实际应用价值。以生产动物的嗅觉受体及其配体对食欲的调控为重点的基础研究尚少，还需要进一步研究。